¿Qué es la biología celular?
La biología celular es la rama de la biología que estudia todos los aspectos relacionados con la vida celular: estructura, función, evolución y comportamiento de las células que conforman a los seres vivos sobre la Tierra. En otras palabras, todo lo inherente a su nacimiento, su vida y su muerte.
Es una ciencia que integra gran cantidad de conocimientos, entre los que destacan la bioquímica, la biofísica, la biología molecular, las ciencias computacionales, la biología del desarrollo y del comportamiento y la biología evolutiva, cada uno de los cuales con su propio enfoque y sus propias estrategias de experimentación para responder preguntas específicas.
Puesto que la teoría celular afirma que todos los seres vivos están compuestos por células, la biología celular no hace distinción entre animales, plantas, bacterias, arqueas, algas u hongos, y puede enfocarse en células individuales o en las pertenecientes a tejidos y órganos de un mismo individuo multicelular.
Así pues, ya que se trata de una ciencia experimental (más que descriptiva), la investigación en esta rama de la biología depende de los métodos disponibles para el estudio de la ultraestructura celular y de sus funciones (la microscopía, la centrifugación, el cultivo in vitro, etc.).
Historia de la biología celular
Algunos autores consideran que el nacimiento de la biología celular tuvo lugar con el advenimiento de la teoría celular propuesta por Schleiden y Schwann en 1839.
Sin embargo, ya las células fueron descritas y estudiadas muchos años antes, comenzando con los primeros hallazgos de Robert Hooke quien, en 1665, vio por primera vez las celdillas que constituían el tejido muerto de una lámina de corcho; y continuando con Antoni van Leeuwenhoek, que años más tarde observó al microscopio muestras con diferentes microorganismos.
Después de los trabajos de Hooke, Leeuwenhoek, Schleiden y Schwann, muchos autores también se dedicaron al estudio de las células, con lo que fueron afinándose detalles respecto a su estructura y funcionamiento internos: se describió el núcleo de las células eucariotas, el ADN y los cromosomas, las mitocondrias, el retículo endoplásmico, el complejo de Golgi, etc.
A mediados del siglo XX, el campo de la biología molecular vio considerables progresos. Esto influyó en que, durante la década de 1950, la biología celular también experimentase un crecimiento considerable, ya que por esos años fue posible mantener y multiplicar células in vitro, aisladas de los organismos vivos.
Los avances en materia de microscopía, centrifugación, formulación de medios de cultivo, purificación de proteínas, identificación y manipulación de líneas celulares mutantes, experimentación con cromosomas y ácidos nucleicos, entre otras cosas, sentaron precedente para el rápido avance de la biología celular hasta la actualidad.
Qué estudia la biología celular
La biología celular estudia las células procariotas y eucariotas; los procesos de su formación, de su vida y de su muerte. Usualmente puede enfocarse en los mecanismos de señalización y en la estructuración de las membranas celulares, así como en la organización del citoesqueleto y la polaridad celular.
Estudia también la morfogénesis, es decir, los mecanismos que describen cómo se desarrollan las células morfológicamente y cómo cambian en el tiempo aquellas que maduran y se transforman a lo largo de su vida.
Dentro de la biología celular se incluyen tópicos relacionados con la movilidad y el metabolismo energético, así como con la dinámica y biogénesis de sus orgánulos internos, en el caso de las células eucariotas (núcleo, retículo endoplásmico, complejo de Golgi, mitocondrias, cloroplastos, lisosomas, peroxisomas, glicosomas, vacuolas, glioxisomas, etc.).
También implica el estudio de los genomas, de su organización y de la función nuclear en general.
En la biología celular se estudia la forma, el tamaño y la función de las células que componen todos los organismos vivos, así como los procesos químicos que ocurren en su interior y la interacción entre sus componentes citosólicos (y su localización subcelular) y de las células con su entorno.
Conceptos esenciales en biología celular
Adentrarse en el campo de la biología celular es una tarea sencilla cuando se tienen en cuenta algunos conocimientos básicos o conceptos esenciales, puesto que con estos y con el uso de la razón es posible comprender a profundidad el complejo mundo de las células.
- Células. Entre los conceptos fundamentales que deben tenerse en el panorama está la concepción de que las células son las unidades básicas de la vida, es decir, los bloques que permiten la construcción de los organismos que podemos llamar vivos, y que todas están separadas del medio extracelular gracias a la presencia de una membrana. Independientemente de su tamaño, forma o función en un tejido específico, todas las células llevan a cabo las mismas funciones básicas que caracterizan a los seres vivos: crecen, se alimentan, interactúan con el medio ambiente y se reproducen.
- ADN. Si bien existen células eucariotas y células procariotas, que son fundamentalmente diferentes respecto a su organización citosólica, sea cual sea la célula que se tenga en mente, todas, sin excepción, poseen en su interior ácido desoxirribonucleico (ADN), una molécula que alberga “los planos estructurales, morfológicos y funcionales” de una célula.
- Citosol. Las células eucariotas poseen en su citosol orgánulos especializados en distintas funciones que contribuyen en los procesos vitales de estas. Estos orgánulos llevan a cabo la producción de energía a partir del material nutritivo, la síntesis, empaquetamiento y transporte de muchas proteínas celulares y también la importación y digestión de grandes partículas.
- Citoesqueleto. Las células poseen un citoesqueleto interno que mantiene la forma, dirige el movimiento y transporte de proteínas y de los orgánulos que las utilizan, además de colaborar en el movimiento o desplazamiento de la célula completa.
- Organismos unicelulares y multicelulares. Existen organismos unicelulares y multicelulares (cuyo número de células es sumamente variable). Los estudios de biología celular usualmente se enfocan en organismos modelo, los cuales han sido definidos de acuerdo con el tipo de célula (procariotas o eucariotas) y de acuerdo con el tipo de organismo (bacteria, animal o planta).
- Los genes. Los genes son parte de la información codificada en las moléculas de ADN presentes en todas las células de la tierra. Estos no solo cumplen funciones en el almacenamiento y transporte de la información necesaria para determinar la secuencia de una proteína, sino que también ejercen importantes funciones reguladoras y estructurales.
Aplicaciones de la biología celular
Existe una gran cantidad de aplicaciones de la biología celular en campos como la medicina, la biotecnología y el medio ambiente. A continuación, se presentan algunas aplicaciones:
- La coloración e hibridación fluorescente in situ (FISH) de los cromosomas permite detectar traslocaciones cromosómicas en células cancerosas.
- La tecnología de las microdisposiciones de “chip” de DNA permite conocer el control de la expresión génica de la levadura, durante su crecimiento. Esta tecnología se ha utilizado para conocer la expresión de genes humanos en diferentes tejidos y células cancerosas.
- Los anticuerpos marcados con fluorescencia, específicos contra proteínas de filamentos intermedios, permiten conocer el tejido a partir del cual se originó un tumor. Esta información ayuda al médico a escoger el tratamiento más apropiado para combatir el tumor.
- Uso de la proteína fluorescente verde (GFP) para localizar células dentro de un tejido. Mediante tecnología de DNA recombínante, el gen GFP es introducido en células específicas de un animal completo.
Ejemplos de investigaciones recientes en biología celular
Se escogieron dos ejemplos de artículos publicados en la revista Nature Cell Biology Review. Estos son los siguientes:
- Papel de la herencia epigenética en los animales (Pérez y Ben Lehner, 2019). Se ha descubierto que otras moléculas, además de la secuencia del genoma, pueden transferir información entre generaciones. Esta información puede ser modificada por las condiciones fisiológicas y medioambientales de las generaciones previas. De este modo, hay información en el DNA no asociada a la secuencia (modificaciones covalentes de las histonas, metilación del DNA, RNA pequeños) e información independiente del genoma (microbioma). En mamíferos, la desnutrición o la buena alimentación afecta el metabolismo de la glucosa de la descendencia. Los efectos paternos no siempre son mediados por los gametos, pero podrían actuar por vía materna indirectamente. Las bacterias pueden ser heredadas por vía materna a través del canal de nacimiento, o la lactancia. En los ratones, una dieta pobre en fibra produce una disminución de la diversidad taxonómica del microbioma a lo largo de las generaciones. Eventualmente, ocurre la extinción de subpoblaciones de microorganismos.
- Regulación de la cromatina y terapia contra el cáncer (Valencia y Kadoch, 2019). Actualmente se conocen los mecanismos que gobiernan la estructura de la cromatina, y su papel en las enfermedades. En este proceso, el desarrollo de técnicas que permiten identificar la expresión de genes oncogénicos y el descubrimiento de blancos terapéuticos ha sido clave. Algunas de las técnicas empleadas son inmunoprecipitación de la cromatina seguida del secuenciamiento (ChIP-seq), secuenciamiento del RNA (RNA-seq), ensayo transpoaccesible de la cromatina usando secuenciamiento (ATAC-seq). En el futuro, el uso de la tecnología CRISPR–Cas9 y del RNA de interferencia tendrán un papel en el desarrollo de terapias contra el cáncer.
Referencias
- Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A. D., Lewis, J., Raff, M., Walter, P. Essential Cell Biology. Garland Science.
- Bolsover, S R., Shephard, E.A., White, H.A., Hyams, J.S. Cell Biology: a short course. John Wiley & Sons.
- Cooper, G.M., Hausman, R.E. The cell: Molecular approach. Medicinska naklada.
- Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., Matsudaira, P., Baltimore, D., Darnell, J. Molecular cell biology 4th edition. National Center for Biotechnology Information, Bookshelf.
- Solomon, E.P., Berg, L.R., Martin, D.W. Biology (9th ed.). Brooks/Cole, Cengage Learning.